認識火山

趙波

Volcano（火山）一詞來源于意大利西西里島和亞平寧半島之間的Vulcan（烏干）火山島?；鹕交顒邮且环N奇特的自然現(xiàn)象。人類對于火山的認知，經(jīng)歷了漫長的歷史，由神話到假說，由簡單記錄到科學(xué)解釋。

神話中的火山

在火山多發(fā)國家的神話中，火山大多與火神相關(guān)。古希臘神話中火神和鍛造之神赫菲斯托斯利用火山為眾神打造武器，冒煙的火山是火神的熔爐和煙囪（圖1）。火山噴發(fā)就是火神在打鐵冶煉武器。古羅馬神話里，火與工匠之神烏干住在火山里面。在古羅馬和古希臘神話里，這兩個火神發(fā)怒就會引起火山噴發(fā)。日本富士山在阿伊努族的語言中，意思是火之山或火神。在夏威夷神話中，基拉維厄火山為女火神貝蕾的家，熔巖流入大海是貝蕾女神與妹妹海女神為爭奪愛人爆發(fā)的水火之戰(zhàn)。在墨西哥阿茲特克人的神話中，蟬蒂科是家庭灶臺女神和火山女神。中南美洲尼加拉瓜一帶的古印第安人認為火山噴發(fā)是神在發(fā)怒，因此古印第安人經(jīng)常在馬薩亞火山口邊緣舉行祭祀儀式，據(jù)說祭祀過程是把人作為犧牲品推進熔巖湖以使神息怒。在北美洲印第安人的傳說中，威易斯特（胡德火山）和塔透（亞當(dāng)斯火山）兄弟二人為了爭奪美女拉瓦拉克勞（圣海倫斯火山）大打出手，造成火山噴發(fā)，熔巖四溢。新西蘭毛利人的神話中，半神毛伊和兄弟們釣到了一條巨大的魚，魚在掙扎過程中，魚身變成了陸地，形成山脈，而魚的腹部形成了陶波火山和湯加里羅火山。這些火山多發(fā)國家地域不同，文化形態(tài)不同，但火山神話都具有一定的相似性，反映了人類在蒙昧?xí)r期對火山噴發(fā)現(xiàn)象的基本認識具有共同性，充滿了對強大自然力量的畏懼與崇拜。

圖1 希臘神話中的火神赫菲斯托斯和火山熔爐

早期的火山假說和噴發(fā)記錄

西方的先哲們對火山的成因進行了各種猜想。公元前5世紀，古希臘哲學(xué)家恩培多克勒提出火山是火元素的表現(xiàn)。隨后，大哲學(xué)家柏拉圖認為“地底下有一條巨大火河，它支持著全世界的火山”。柏拉圖的學(xué)生亞里士多德提出地底下的火是風(fēng)進入狹窄裂縫摩擦導(dǎo)致的。公元前1世紀，古羅馬的詩人和哲學(xué)家盧克萊修認為“埃特納火山內(nèi)部是空的且充滿火焰，內(nèi)部的旋風(fēng)使火焰噴出地表”?？梢娫缙诘幕鹕郊僬f都是認為火山與火密切相關(guān)。

一些勇敢的學(xué)者開始觀察和記錄火山活動。公元79年，意大利人老布里尼首次注意到維蘇威火山噴發(fā)前的地震現(xiàn)象，在野外觀察火山爆發(fā)時窒息而亡。他的侄子小布里尼繼承了他的事業(yè)，記錄了維蘇威火山噴發(fā)過程。該次噴發(fā)摧毀了龐貝、斯塔比伊和赫庫蘭尼姆三座城市，導(dǎo)致了25000～30000人的死亡。為了紀念小布里尼首次記錄維蘇威火山噴發(fā)過程，人們把這種大規(guī)模的爆炸式火山噴發(fā)稱作布里尼式噴發(fā)。

相對于國外，中國系統(tǒng)的火山噴發(fā)記錄則要晚得多?！秾幑潘浡浴贰妒⒕┩ㄖ尽泛汀逗邶埥庥洝肪涊d了1720—1721年黑龍江五大連池火山噴發(fā)的過程。令人感到驚奇的是，一部分現(xiàn)代火山學(xué)者認為《后漢書》中記載的洛陽天氣突變，與同一時期《羅馬帝國史》中記載的羅馬天氣異象，都是反映新西蘭陶波超級火山噴發(fā)對全球氣象的影響。

無論是早期火山假說，還是火山噴發(fā)觀察記錄，都反映了當(dāng)時人類的先進學(xué)者們對火山自然現(xiàn)象的探索以及對火山知識的追求。

中國歷史資料中的火山

中國不是一個火山噴發(fā)多發(fā)國家。古籍中記載的火山大部分是指燃燒的山，可以是森林著火的山，也可以指煤層自燃，與地質(zhì)學(xué)中火山噴發(fā)現(xiàn)象并不是完全相同的。

戰(zhàn)國時期神話志怪小說《山海經(jīng)》中“其外有炎火之山,投物輒然”，是中國關(guān)于火山最早的文字記錄。漢朝神話志怪小說《神異經(jīng)》 中亦有“荒外有火山，其中生不晝之木，晝夜火燃，得暴風(fēng)不猛，猛雨不滅”，明朝神話小說《西游記》中記載“這里有座火焰山，無春無秋，四季皆熱，那火焰山有八百里火焰，四周寸草不生”。

火山這個詞在歷史典籍和古代詩歌中出現(xiàn)的次數(shù)遠比在神話小說里多。北魏酈道元的《水經(jīng)注》中有“右合火山西溪水，水導(dǎo)源火山，西北流，山上有火井”， 清朝顧祖禹《讀史方輿記要》中記載“火山，在縣西五里，黃河?xùn)|岸，山上有孔，以草投孔中，煙焰上發(fā)，可熟食”。《魏書》《新唐書》《宋史》和《金史》中介紹當(dāng)時朝廷以火山為地名建立州縣。南宋陸游的《老學(xué)庵筆記》中記載“言火山之南，地尤枯瘠，鋤鑊所及，烈焰應(yīng)手涌出，故以火山名軍”。唐朝詩人岑參多次從軍邊塞，所著的《經(jīng)火山》《火山云歌送別》和《武威送劉判官赴磧西行軍》等詩中均含有關(guān)于火山的詩句，例如“火山今始見，突兀蒲昌東”“火山突兀赤亭口，火山五月火云厚”等。這些詩句描述的都是吐魯番的火焰山。唐朝賈島《送黃知新歸安南》中的“火山難下雪，瘴土不生茶”。宋朝蘇軾《詠湯泉》中“郁攸火山烈，觱沸湯泉注”。關(guān)于火山的詩句不勝枚舉。

晉朝郭璞在《山海經(jīng)圖贊》中對火山的成因進行了探討，提出了“木含陽氣，精構(gòu)則然，焚之無盡，是生火山”。地質(zhì)學(xué)家、地質(zhì)科學(xué)史專家、中國科學(xué)史事業(yè)的開拓者章鴻釗于1924年所著《火山》一書對古籍中所記載火山進行甄別。地質(zhì)學(xué)家陶世龍1983年《火山辨》亦對古籍中記載的火山現(xiàn)象進行分辨。這些學(xué)者的考證結(jié)果表明，古籍中火山大部分是煤層自燃現(xiàn)象。

當(dāng)然，有部分史料所記載的現(xiàn)象與現(xiàn)代火山噴發(fā)過程相似?！段簳妨袀鞯诰攀小皭偘銍辖缬谢鹕?，山傍石皆焦溶，流地數(shù)十里乃凝堅，人取為藥，即石流黃也”。清代《海島逸志》中記載的“其山極高，人罕到，峰頂如灶上之突，晴明則煙少減，風(fēng)雨晦暝則煙愈熾；或有時如鳴巨炮，則天雨灰，氣味如硫磺”?！缎陆請蟆酚涊d1951年5月27日在于田縣西昆侖山中，筑路工人聽到火山爆發(fā)的聲音。這些火山噴發(fā)現(xiàn)象的記載為后人研究區(qū)域內(nèi)火山噴發(fā)時代、噴發(fā)規(guī)模以及噴發(fā)方式等提供了參考資料。

中國古籍中記載的火山，大部分并非真正意義上的火山。究其原因，是絕大多數(shù)中國火山分布于人跡罕至的邊遠地區(qū)，聚居于中原地區(qū)的國人并未見過真正的火山噴發(fā)景象，反而用火山一詞來描述常見的煤層自燃和山火現(xiàn)象。

18世紀至19世紀的火山研究

5—13世紀，歐洲處于黑暗時代，科學(xué)發(fā)展受到嚴重阻礙。文藝復(fù)興時期，人類對火山的認識仍束縛于地下火的框架之中。18世紀早中期，意大利自然學(xué)家莫羅、法國地質(zhì)學(xué)家蓋塔爾、法國博物學(xué)家布封以及德國哲學(xué)家康德等對火山成因進行了探討，為火山學(xué)發(fā)展做出了貢獻。但由于當(dāng)時知識的局限，布封和康德仍認為火山噴發(fā)是地下煤層燃燒形成的，蓋塔爾認為玄武巖的柱狀節(jié)理是水成因的。一直到了被譽為“地質(zhì)學(xué)英雄時代”的1790—1830年間，火山學(xué)才在爭辯中得到了發(fā)展。這時期地質(zhì)學(xué)界出現(xiàn)的水成學(xué)派與火成學(xué)派之爭。地質(zhì)學(xué)水成學(xué)派的代表者，德國礦物學(xué)家維爾納1791年提出火山噴發(fā)是地殼內(nèi)部煤燃燒引起的；地質(zhì)學(xué)火成學(xué)派的代表者，英國地質(zhì)學(xué)家赫頓1795年系統(tǒng)地提出巖漿巖是由高溫巖漿冷卻結(jié)晶而成。兩個學(xué)派為此爭論不休。英國的霍爾、法國的多洛米厄、德國的洪堡和布赫等地質(zhì)學(xué)家通過野外地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)實驗證明了赫頓的巖漿設(shè)想是正確的。德國化學(xué)家篷善1853年提出了混合巖漿說。隨后，美國地質(zhì)學(xué)家克拉倫斯·金根據(jù)巖漿重力分異定義火山巖巖序為酸性、中性和基性?；鹕降恼J識逐步走向科學(xué)的道路。

現(xiàn)代火山研究

現(xiàn)代火山研究也是在地質(zhì)學(xué)的爭論中不斷發(fā)展的。20世紀早期，海陸固定學(xué)說和活動學(xué)說成為地質(zhì)學(xué)界爭論的焦點。海陸固定學(xué)說是20世紀初地質(zhì)學(xué)的正統(tǒng)觀點。活動論代表者德國人魏格納1912提出了大陸漂移說。英國人喬利1925年提出了脈動說來解釋巖漿的產(chǎn)生，霍姆斯1928年則提出了地幔對流說來解釋地殼運動。由于受科學(xué)技術(shù)的限制，當(dāng)時這些假說的提出者和支持者并未提出令人信服的證據(jù)，但這些假說為后來以板塊構(gòu)造學(xué)為中心的地學(xué)革命奠定了基礎(chǔ)。進入60年代后，威爾遜、摩根和勒皮雄三位地質(zhì)學(xué)家在大陸漂移說的基礎(chǔ)上，建立并完善了板塊構(gòu)造學(xué)說。在板塊構(gòu)造理論的指引下，人類對火山，火山噴發(fā)以及火山作用過程的認知越來越深入，了解到火山是地殼構(gòu)造活動的表現(xiàn)形式之一。

（一）火山定義

通常情況下，火山是指地球、月球以及類地行星的地殼破裂開口，熾熱的物質(zhì)（巖漿、火山灰、氣體、巖石等）通過它流出或者被拋出形成的一種地貌?；鹕降孛仓饕卸軤钌?、穹丘狀山、錐形山、熔巖坑、環(huán)形裂隙和線形裂隙等。不同于其他山嶺地貌，火山還涉及到地底下的巖漿、巖漿通道、巖漿房、地表的構(gòu)造軌跡以及各種噴發(fā)產(chǎn)物的分布等（圖2）。

（二）火山噴發(fā)及其產(chǎn)物

地下熔融的石頭叫巖漿，流出地表的叫熔巖。巖漿一般形成于地下100～150km處。它的形成一般與地球板塊構(gòu)造活動和熱點密切相關(guān)，比如太平洋板塊俯沖到歐亞板塊下部后脫水發(fā)生部分熔融形成巖漿，夏威夷火山島就是熱點巖漿噴發(fā)形成的。巖漿密度要比周圍的固體巖石要小，向上的浮力驅(qū)使巖漿沿著裂隙向上遷移。巖漿遷移形成的通道叫作巖漿通道。巖漿在地下匯聚形成的巨大巖漿池，叫作巖漿房。當(dāng)巖漿房內(nèi)巖漿壓力或者是氣體壓力變大，遠遠大于外部壓力時，巖漿等流體突破上覆圍巖，噴出地表的過程叫作火山噴發(fā)。

圖2 火山結(jié)構(gòu)示意圖

火山噴發(fā)時的地表出口叫作噴火口。地表緩慢流動的熔巖流體叫作熔巖流，溫度一般在800—1200℃之間。根據(jù)化學(xué)成分的不同，熔巖可以分為玄武質(zhì)，粗面質(zhì)，安山質(zhì)和流紋質(zhì)等。爆炸式噴發(fā)形成的蘑菇云狀體叫作噴發(fā)柱，噴發(fā)柱中充滿火山碎屑。直徑大于64mm，在火山口附近做彈道運動并在空中冷卻的熔巖碎屑叫作火山彈（圖3）。直徑在2—64mm之間的火山碎屑叫作火山礫。直徑小于2mm的火山碎屑叫作火山灰。布里尼式噴發(fā)一般形成噴發(fā)柱，大的高達40km。噴發(fā)柱中火山灰隨風(fēng)飄動，滯留空中時間長，影響范圍廣泛，對航空業(yè)亦會造成威脅。噴發(fā)柱坍塌一般形成火山碎屑流，龐貝古城就是淹沒于火山碎屑流之中的。大部分火山碎屑堆積時很松散，雨水天氣易導(dǎo)致火山泥石流的形成。

（三）火山分類

火山分類有很多種劃分方法。本文簡要介紹兩種常用的劃分方式。

根據(jù)噴發(fā)時間和活動狀態(tài)，火山分為活火山，休眠火山和死火山。活火山是指人類歷史時期（1萬年內(nèi)）有過噴發(fā)活動且現(xiàn)代仍然活躍的火山；休眠火山是指人類歷史時期曾經(jīng)噴發(fā)過，但長期以來處于相對靜止?fàn)顟B(tài)的火山；死火山指人類歷史時期從來沒有活動過的火山。迄今為止，地球上分布有534座活火山，還有大量分布在偏遠地區(qū)以及海底的活火山尚未發(fā)現(xiàn)。有證據(jù)顯示，中國黑龍江省五大連池市的老黑山和火燒山、黑龍江省鏡泊湖1號火山和4號火山、內(nèi)蒙古自治區(qū)阿爾山市的焰山和高山、吉林省的長白山天池火山、吉林省輝南縣的金龍頂子火山（圖4）、新疆自治區(qū)于田縣的阿什火山、海南省海口市的雷虎嶺和馬鞍嶺火山、云南省騰沖縣馬鞍山和黑空山等，1萬年以來都有過噴發(fā)。但這些火山現(xiàn)在都處于相對平靜狀態(tài)。

圖3 火山彈

根據(jù)噴發(fā)的活動方式，火山噴發(fā)主要分為溢流式噴發(fā)和爆炸式噴發(fā)兩種形式。美國夏威夷基拉維厄火山2018年噴發(fā)就是溢流式噴發(fā)，高溫的熔巖在地表平靜緩慢地流動；而冰島艾雅法拉火山2010年噴發(fā)則是爆炸式噴發(fā)，爆發(fā)形成高聳入云的噴發(fā)柱，火山灰隨風(fēng)飄動，影響到大部分北歐和西歐地區(qū)的航線。

（四）火山作用

廣義的火山作用是指地球以及類地行星深部巖漿噴發(fā)至地表的現(xiàn)象，具體指巖漿在地幔和地殼內(nèi)運移，突破地殼噴發(fā)形成火山巖引起的所有現(xiàn)象?；鹕阶饔冒ㄔ诘乇硪韵碌膸r漿作用過程和突破地表的噴發(fā)作用過程。

1.巖漿作用

深部巖漿作用過程及其復(fù)雜，其中巖漿分異作用和巖漿同化混染作用是兩個最普遍的巖漿演化過程。成分均一的源區(qū)巖漿，受溫度、壓力等物理化學(xué)條件的影響，形成不同成分的派生巖漿，叫巖漿分異作用。巖漿與周圍的巖石及捕虜體發(fā)生了熔化和交代過程，叫作同化作用。由于加入了外來物質(zhì)，巖漿的成分發(fā)生變化，叫作混染作用。由于巖漿同化作用和混染作用過程是相互依存的，因此統(tǒng)稱為巖漿同化混染作用。此外，巖漿作用還包括巖漿不混溶作用、分離結(jié)晶作用、擴散作用以及氣運作用等。

2.噴發(fā)作用

狹義的火山作用就是指巖漿突破地殼的噴發(fā)作用過程。根據(jù)噴發(fā)活動方式，火山噴發(fā)作用可以分為溢流式噴發(fā)作用和爆破式噴發(fā)作用。水參與火山噴發(fā)是最常見的噴發(fā)作用過程之一。地球表面的71%是水域，還有大量的地下水和冰川。水與巖漿作用可以分為海洋火山作用、淺水火山作用和冰川火山作用。

（1）海洋火山作用

圖4 吉林省輝南縣金龍頂子火山錐體

地球上超過70%的火山作用是發(fā)生在海底的。通過衛(wèi)星影像分析，研究人員已經(jīng)解譯出超過10萬座已經(jīng)死亡和正在活動的海底火山，但仍有大量存在于海底深處的火山未被發(fā)現(xiàn)。在大洋中脊幾乎每天都有大量的火山噴發(fā)，而這些火山噴發(fā)過程大多數(shù)是我們觀測不到的。海底火山持續(xù)噴發(fā)，高于海平面就形成了火山島。冰島的蘇特賽島形成于1963—1967年的多次噴發(fā)，海水的加入，形成了大量的火山灰。蘇特賽噴發(fā)（Surtseyan eruption）特點就是水蒸汽爆發(fā)和巖漿爆破式噴發(fā)交互出現(xiàn)，這與陸地的火山爆發(fā)不同，從此，人們首次對海洋火山作用有了了解。深海潛水器、機器人技術(shù)和光纖技術(shù)的發(fā)展，為研究海洋火山作用提供了技術(shù)支持。2017年，在美國地球物理聯(lián)合會舉辦的查普曼會議上提出的海洋火山作用是當(dāng)今火山學(xué)研究的前沿。此外，海洋火山作用還可能與生命起源密切相關(guān)，比如深海的黑煙囪。

（2）淺水火山作用

相對于海洋火山作用而言，巖漿或熔巖與陸地地表的地下水，地表的河流和湖泊發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的火山作用叫作淺水火山作用。淺水火山作用形成的低平火山口，是陸地上僅次于火山渣錐，分布第二廣泛的火山。

（3）冰川火山作用

有冰川加入的火山作用過程叫作冰川火山作用。與前兩種火山作用相比，地球上的冰川火山作用僅分布在高海拔和高緯度地區(qū)。南極有大量的火山被覆蓋在冰川下面，其中不乏活火山。在冰川下面發(fā)生的火山噴發(fā)作用，會形成特有的桌狀山（Tuya）和廷達爾（Tindar）火山地貌。根據(jù)桌狀山和廷達爾火山高度，可以推測大型古冰川厚度，獲取古環(huán)境信息。地球冰川火山作用的研究，可以為人類探測和研究外星球提供借鑒，比如火星，就可能存在大量冰川火山。

結(jié)束語

人類對火山的認識是在思辯中不斷進步的。了解火山活動規(guī)律，可以減輕火山噴發(fā)的危害。通過火山這個“窗口”，可以了解到地球內(nèi)部各種信息。火山也會給人類帶來能源和礦產(chǎn)?；鹕降?zé)峥梢杂脕戆l(fā)電。許多寶貴的礦產(chǎn)資源都出現(xiàn)在死火山的根部。認識火山，人類依然任重道遠。